轉(zhuǎn)換合并法在無(wú)線人體局域網(wǎng)的應(yīng)用

蔡 捷 梁 田 楊鴻韜

（1.澳大利亞國(guó)立大學(xué)，澳大利亞；2.水利部黃河水利委員會(huì)信息中心，河南 鄭州450000）

轉(zhuǎn)換合并法在無(wú)線人體局域網(wǎng)的應(yīng)用

蔡 捷2梁 田1楊鴻韜1

（1.澳大利亞國(guó)立大學(xué)，澳大利亞；2.水利部黃河水利委員會(huì)信息中心，河南 鄭州450000）

提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，增強(qiáng)穩(wěn)定性以及降低功率損耗是無(wú)線BAN技術(shù)不斷革新的目標(biāo)與方向。本文將闡述一種常見的無(wú)線通訊技術(shù)，轉(zhuǎn)換合并法（Sw itched Combining），在無(wú)線BAN上的應(yīng)用以及對(duì)上述性能的影響與權(quán)衡（trade-off）。

轉(zhuǎn)換合并；無(wú)線人體局域網(wǎng)；功率控制

近年來(lái)，無(wú)線人體局域網(wǎng)技術(shù)（簡(jiǎn)稱為：無(wú)線BAN）的出現(xiàn)將醫(yī)療保健帶入了一個(gè)個(gè)性化發(fā)展的新層次，圖1展示了一種典型的無(wú)線BAN。

圖1 典型無(wú)線人體局域網(wǎng)

提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，增強(qiáng)穩(wěn)定性以及降低功率損耗是無(wú)線BAN技術(shù)不斷革新的目標(biāo)與方向。本文將闡述一種常見的無(wú)線通訊技術(shù)，轉(zhuǎn)換合并法（Switched Combining），在無(wú)線BAN上的應(yīng)用以及對(duì)上述性能的影響與權(quán)衡（trade-off）。

無(wú)線BAN是一個(gè)由多個(gè)穿戴式或植入式傳感器組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳感器將連續(xù)性地監(jiān)測(cè)、記錄、處理及傳送代表個(gè)人健康狀況的數(shù)據(jù)[1]。為了醫(yī)務(wù)人員能夠成功分析數(shù)據(jù)，應(yīng)首選大于某一確定閥值的接收信號(hào)，因此基于無(wú)線通訊中繼技術(shù)的轉(zhuǎn)換合并法在無(wú)線BAN上的應(yīng)用就顯得尤為重要，特別是在提高接收信號(hào)質(zhì)量以及通訊穩(wěn)定性方面。

所謂轉(zhuǎn)換合并法此處主要有兩種，分別是雙分支轉(zhuǎn)換合并（Two-Branch Switched Combining）和三分支轉(zhuǎn)換合并（Three-Branch Switched Combining）。

雙分支轉(zhuǎn)換合并法的結(jié)構(gòu)是由發(fā)送端（Source），接收端（Hub）和一個(gè)中繼（Relay）組成的（由圖2所示）。兩條分支分別由圖中的箭頭①和箭頭②表示。具體方法是初始化分支后，當(dāng)任何一個(gè)正在使用的分支的信道增益低于特定閥值時(shí)，在下一時(shí)刻將啟用另一分支。

圖2 雙分支交換合并結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于三分之交換合并法（如圖3），若當(dāng)前使用分支的信道增益小于特定閥值，下一分支將被檢驗(yàn)，若大于閥值則被啟用，否則將切換至最后一個(gè)分支且無(wú)論該分支的信道增益是否大于閥值[2]。

圖3 三分支交換合并結(jié)構(gòu)圖

1 試驗(yàn)構(gòu)建

根據(jù)IEEE 802.15.6人體局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，本次測(cè)試采用2.36 GHz的載波頻率[3]。被測(cè)試個(gè)體穿戴傳感器進(jìn)行兩小時(shí)的日?；顒?dòng)，包括行走，開車，辦公等等，采樣間隔為15ms，傳感器位置見圖4。

圖4 傳感器位置完整示意圖

其中，較大的藍(lán)色圓點(diǎn)代表中繼或接收端，分別是胸部及左右臀部，在程序中的代碼分別是1、2、3。其余較小的紅點(diǎn)為發(fā)送端，本次試驗(yàn)中用到的有左右腳踝（4、5）、右手腕（6）、左上臂（7）、頭部（8）、背部（9）以及左手腕（10）。

此外，初始傳輸功率定為0 dBm。根據(jù)[2]我們將-86 dBm定為最優(yōu)化閥值。

2 成果分析

2.1 中斷概率分析

中斷概率（outage probability）表示所使用信道增益小于特定閥值的概率，屬于一階統(tǒng)計(jì)（the first order statistics）。由于中斷的數(shù)據(jù)是不能被醫(yī)護(hù)人員分析使用的，所以要盡可能地減小中斷概率。

綜合所有發(fā)送端和接收端，使用直鏈（direct link）的平均中斷概率為26.63%，而應(yīng)用雙分支轉(zhuǎn)換合并法后，中斷概率降為13.63%，約為之前的一半。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 雙分支轉(zhuǎn)換合并法的中斷表現(xiàn)

而使用三分支轉(zhuǎn)換合并法后，平均中斷概率僅為7.29%，約為雙分支轉(zhuǎn)合并法的一半。因此，本文之后的分析將著重于三分支轉(zhuǎn)換合并法。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 三分支轉(zhuǎn)換合并法的中斷表現(xiàn)

2.2 轉(zhuǎn)換速率分析

轉(zhuǎn)換速率（Switching Rate，單位：Hz）屬于二階統(tǒng)計(jì)，代表分支轉(zhuǎn)換的快慢，與通信的可靠性密切相關(guān)且轉(zhuǎn)換速率越小代表通信越穩(wěn)定。

綜合考慮所有發(fā)送端和接收端，選擇合并法（Selection Combining），即選擇使用信道增益最大的分支，其平均轉(zhuǎn)換速率為2.6223 Hz。應(yīng)用三分支轉(zhuǎn)換合并法的平均轉(zhuǎn)換速率僅為1.2655 Hz（詳細(xì)數(shù)據(jù)參見表3），意味著其保證了一個(gè)更加穩(wěn)定可靠的通信過程。

表3 三分支轉(zhuǎn)換合并法的轉(zhuǎn)換速率

2.3 功率控制分析

由于傳感器均由電池供電且監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，因此減少功率損耗以延長(zhǎng)電池壽命就顯得尤為重要。功率損耗是無(wú)線人體局域網(wǎng)的第一設(shè)計(jì)約束，一些動(dòng)態(tài)功率管理技術(shù)被應(yīng)用，但在功率節(jié)約和通訊穩(wěn)定性間有一定的權(quán)衡。此處我們使用一種基于信道預(yù)測(cè)的功率控制法：首先將功率余裕值（power margin）定為8 dBm，功率增減間隔為0.5 dBm，若當(dāng)前使用分支的信道增益大于閥值與余裕值的和，則下一時(shí)刻將傳輸功率下降0.5 dBm；相似地，若當(dāng)前使用分支的信道增益大于閥值與余裕值的差的絕對(duì)值，則下一時(shí)刻將傳輸功率增加0.5 dBm，但最高不得高于初始傳輸功率（0 dBm）。此處我們?nèi)匀恢攸c(diǎn)分析基于三分支轉(zhuǎn)換合并法的功率控制結(jié)果，其中中斷概率及轉(zhuǎn)換速率結(jié)果分別參見表4及表5。

表4 三分支轉(zhuǎn)換合并法功率控制下的中斷表現(xiàn)

表5 三分支轉(zhuǎn)換合并法功率控制下的轉(zhuǎn)換速率

由表4計(jì)算得平均中斷概率為5.74%，較無(wú)功率控制的三分支轉(zhuǎn)換合并法只有較小的提升，而由表5得平均轉(zhuǎn)換速率為4.2298Hz，是無(wú)功率控制情況的四倍。由此可知，控制功率后轉(zhuǎn)換速率提高，這就是前文所述的在節(jié)約功率和通信穩(wěn)定性之間會(huì)有一定的權(quán)衡和取舍。

3 結(jié)論

轉(zhuǎn)換合并法，尤其是三分支轉(zhuǎn)換合并法在降低中斷概率和提高通行可靠性上都有顯著的成效，而基于長(zhǎng)時(shí)間信道預(yù)測(cè)的功率控制將會(huì)在一定程度上降低通訊的可靠性，有助于延長(zhǎng)傳感器電池壽命，方便長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)、記錄、處理和傳送數(shù)據(jù)。本文的后續(xù)研究還將包括功率余裕值的優(yōu)化以及功率節(jié)約量的確定等。為了滿足無(wú)線人體局域網(wǎng)易配置、低成本、超低損耗和高可靠性的要求，在設(shè)計(jì)優(yōu)化上未來(lái)還有很多機(jī)遇與挑戰(zhàn)，相信在不久的將來(lái)，無(wú)線人體局域網(wǎng)技術(shù)將在醫(yī)療保健及監(jiān)護(hù)領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)，特別是在人口老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重或臨床醫(yī)生緊缺的地區(qū)及國(guó)家，為遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)提供方便。

[1]Report Information from ProQuest.

[2]D.B.Smith，Cooperative Switched Combining for Wireless Body Area Networks，National ICTAustralia（NICTA），2013.

[3]A.Astrin et al.，“IEEE Standard for Local and metropoli?tan area networks part 15.6∶Wireless Body Area Networks∶IEEE Std 802.16.6-2012”，F(xiàn)eb.2012.

[4]D.B.Smith，Improved Switched Combining with Coopera?tive Diversity for Wireless Body Area Networks∶Empirical Analy?sis and Theory，National ICT Australia（NICTA），2012.

[5]D.B.Smith，Simple Prediction-Based Power Control for the On-Body Area Communications Channel，National ICT Austra?lia（NICTA），2011.

TP393

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1671-0037（2014）02-72-2

2014年2月1日。